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当诺贝尔奖的光芒照亮动力电池,技术突破还会远吗?

时间:2019-11-13 14:18:29 热度:1477

2019年诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰·古德伊尔、英国科学家斯坦利·惠廷翰和日本科学家阿基拉·吉野,表彰他们对锂离子电池研究和开发的贡献。

正是这三位锂电池之父引领汽车行业向新能源电动汽车敞开大门。锂离子电池给汽车工业带来了从化石燃料到清洁能源的飞跃。从锂钴锰电池到磷酸铁锂和三元电池,以及最新的尖端全固态电池,看似遥远的诺贝尔之光已经照亮了动力电池行业。

锂电池摊。照片/视觉中国

锂电池的长途旅行

纵观锂电池的发展历史,这三位科学家在锂电池在汽车领域的初步出现中发挥了重要作用。首先要提到的是英国科学家惠廷翰(Whittingham),他利用硫化钛作为正极材料,锂金属作为负极材料,制造了世界上第一个新型锂离子电池。

随后,美国科学家古德托(Goodtoy)等人发现锰尖晶石是一种价格低廉、稳定性好、导电性和锂导电性优异的正极材料,该材料已成为生产和生活中广泛使用的锂电池正极材料。惠廷翰发明可充电锂电池后,经过反复实验计算,古德托发现了层状结构的钴酸锂,它比以前的硫化钛更适合用作锂电子电池的负极材料。

另一方面,日本科学家吉野(Akira)基于Goodenough的研究,发现了一种更合适的含锂化合物的正极材料,建立了现代锂电池的基本框架。吉野·阿基拉设计的锂离子电池以碳基材料为阳极,钴酸锂为阴极,完全去除电池中的金属锂,并使用含锂化合物提高安全性。1991年,两人共同发明的锂离子电池被索尼引入市场,标志着锂离子电池的大规模使用。根据不同的负极材料,这种锂离子电池被称为“钴酸锂电池”。

作为锂电池的创始人,钴酸锂电池作为动力电池并未广泛用于电动车辆。它最初用于特斯拉跑车,但由于其低循环寿命和安全性,已被证明不适合作为动力电池。为了弥补这个缺点,特斯拉使用了号称世界顶尖的电池管理系统来保证电池的稳定性,但仍然无法摆脱安全问题,尤其是在严重冲击下。稳定性和成本问题阻碍了钴酸锂电池的普及,钴酸锂电池只能用于日常3c产品。

后来,新能源电动汽车也经历了锰酸锂电池时代。该电池由日本aesc提出,首次应用于日产聆风(Nissan Leaf),价格低廉,能量密度适中,总体安全,允许其逐渐被新技术取代。

磷酸铁锂电池的出现是动力电池生产和使用的真正改变。与钴酸锂的层状不稳定结构相比,磷酸铁锂电池的空间骨架结构更加稳定,锂离子也能在骨架通道中快速移动。同时,原材料价格的降低也使得磷酸铁锂的制造成本降低。

尽管磷酸铁锂电池仍然经久耐用,但其能量密度相对较低也是不争的事实。因此,尽管它具有高安全性,但其低能量密度将导致其安装的电池重量较大,这是目前更多地用于新能源总线领域。

但是自2016年以来,三元锂电池已经开始进入人们的视野。三元锂电池是指镍、钴、锰三种材料按一定比例混合搭配作为正极材料的锂电池。根据不同的材料比例将其分为不同的类型,因此有更多的研发方向。

就能量密度而言,三元锂电池明显优于磷酸铁锂电池。此外,由于研究仍处于初级阶段,能量密度的提高甚至技术突破可能更多,因此三元锂电池已成为更多制造商的选择。目前,主流动力电池制造商三星、lg化学和宁德时报都将其视为主要方向之一。

就目前国内市场而言,虽然三元锂电池的兴起相对较晚,但作为最新、最热门的动力电池选择,装机容量仍在不断增加。ggi发布的最新月度动力电池数据库统计显示,2019年1月至8月,国内动力电池装机容量约为38.4千瓦小时,同比增长66%。其中,8月1日三元锂电池装机容量约为25gwh,同比增长85%。磷酸铁锂电池在新能源公交车和专用汽车上的装机容量相对较大,并且正在逐渐升温。

很难避免失控的高温吗?

然而,随着电动汽车的兴起和动力电池行业的快速发展,其问题变得更加明显。

自燃是第一个问题。热失控已成为电动汽车企业,尤其是动力电池制造商最困扰的问题。一些研究表明,热失控是电动汽车自燃的主要原因之一。在“第三届国际电池安全研讨会(2019ibsw)”上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高表示,导致热失控的原因中,正氧释放、负锂析出和隔膜塌陷是三大原因。

理论上,除了机械碰撞和过充电等操作问题之外,当正极与负极结合时,负极被氧化,正极释氧与负极之间的反应极其放热,这也可能导致热失控。然而,随着隔板性能的不断提高,阴极三元材料中镍含量的不断增加和氧释放温度的不断降低,阴极材料的热稳定性也会降低。

此外,欧阳明·高说,影响整个生命周期安全的最重要因素是锂的析出。如果锂的析出没有衰减,电池的安全性不会降低。锂也被分离出来,由于分离出的锂的量不同,结果也明显不同。锂分离释放的热量很大,分离出的锂将直接与电解质剧烈反应,导致大量温升,这将直接导致热失控。

一位从事锂电池研究的工程师在10月10日接受《新京报》采访时表示,如果锂离子在沉淀过程中不能完全嵌入阴极材料,一些锂会沉积在阴极材料表面形成尖锐的峰结构,进一步的发展会很容易刺破隔膜,导致电池内部短路,热失控会导致燃烧和爆炸。

古德托在2017年2月接受采访时说,对于电动汽车中的锂离子电池来说,问题在于所使用的易燃电解质。除易燃性外,当金属锂和盐沉淀出来形成枝晶时,很容易刺破隔膜,导致内部短路和燃烧。同时,锂离子电池维持长寿命的工作电压非常有限。

古德托认为,目前锂离子电池的安全问题仍然比较明显,过充电等问题很容易引发锂离子电池的安全问题。此外,管理电池对电动汽车来说也是一项巨大的开支。

全固态电池的时代正在来临。

吉野·阿基拉相信,未来锂电池在电动汽车上的应用肯定会有更多的进展。如果锂电池被应用到新的用途和新的领域,就必须进行技术改进,但是关于锂电池还有许多未知的事情。

古德托正在进行的全固态电池研究是对未知锂电池的探索。

全固态电池用一种全新的固体电解质代替了原来的液态有机电解质。固体电解质不仅能保证原有的储电性能,还能防止枝晶问题的发生,而且更安全、更便宜。目前,困扰锂电池的安全问题将因全固态电池的出现而得到改善或解决。

在固体电解质的选择上,葡萄牙物理学家布拉加为其提供了一种具有良好锂离子传导性的玻璃。古德立即将这种玻璃引入全固态电池的研发中。

目前,全固态电池的研发已初具规模,相关成果已在多家权威出版物中展示。这位97岁的科学家正在改变锂离子电池甚至动力电池的未来。

在国内,宁德时代分别在聚合物和硫化物基固态电池方面开展了相关的研发工作,并取得了初步进展。郭萱高科技在日本研究所开发了相应的固态电池技术。然而,环球123和离子材料公司宣布,他们已经共同开发了一种高能量密度、高安全性和不含易燃液体电解质的电池。此外,由赣锋锂工业和中国科学院宁波材料研究所共同建立的“固体电解质材料工程中心”,也在全固态电池无锂收集的研究方面取得了进展。

在国外,日本新能源产业技术综合开发署将率先投资100亿日元。23家日本汽车、电池和材料企业(如丰田、本田、日产和松下)以及15家学术机构(如京都大学和日本科学化学研究所)将参与研究,并计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

作为未来动力电池的发展方向,固态电池在技术上取得了一些突破,但目前生产和制备的成熟度仍需加强。大型自动化生产线需要进一步的研究和开发,离产业化还有一定的距离。

一些业内人士认为,目前的产业布局才刚刚开始,2020年后,大规模应用要真正实现小规模大规模生产还需要更长时间。

新京报记者魏帅的照片来自视觉中国

编辑张冰校对张彦君

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